電動汽車R1234yf 熱泵空調系統仿真分析研究

牟連嵩 ， 王 偉 ， 許 翔 ， 孫津鴻

（1.中汽研 （天津） 汽車工程研究院有限公司， 天津 300300；2.中汽研 （常州） 汽車工程研究院有限公司， 江蘇 常州 213164）

R134a作為車用制冷劑得到廣泛使用，雖然對臭氧層沒有破壞作用，但其GWP卻高達1430［1］。1992年6月和1997年12月簽訂的《氣候變化框架公約》和《京都議定書》規定了溫室效應氣體排放量凍結削減時間，到2017年歐洲等發達國家汽車空調系統不能使用GWP超過150的制冷劑［2］。2021年9月《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》正式對中國生效，我國將對廣泛作為制冷劑應用的HFCs （氫氟碳化物） 進行管控，從2024年凍結HFCs生產和消費，而R134a正是屬于HFCs的一種［3］。因此，尋求可替換的高效環保制冷劑并成功應用于汽車空調熱泵系統成為汽車空調行業急需解決的問題。R1234yf是由杜邦公司和霍尼韋爾聯合研制的新型環保制冷劑，ODP為0，GWP為4，與R134a物性相近，成為其替代制冷劑之一［4-5］。

綜合來看，R1234yf與R134a具有相近的熱物理性質，并且更加環保，只需對原適用于R134a的空調系統進行稍加調整，即可應用于R1234yf，使得其成為國內可替代R134a的新型制冷劑之一［6-7］。本文利用一維仿真軟件搭建R1234yf熱泵空調系統模型，探究R1234yf制冷劑熱泵空調系統與R134a系統的差異，為未來探究熱泵系統與R1234yf提供更多的參考依據。

1 熱泵空調系統模型

基于實車管路結構數據，利用AMESim對R1234yf和R134a熱泵空調系統建立仿真模型，研究不同環境工況、壓縮機轉速和過冷度對系統性能的影響。

1.1 換熱器單體模型標定

仿真模型中的換熱器需要通過換熱器單體試驗數據對模型中的換熱系數和壓降系數進行標定調整，使單體試驗數據與單體仿真數據在所有測試工況下的誤差維持在較小范圍內，以確保整個系統模型的精準度。由于冷凝器和蒸發器在制冷和制熱模式需要切換使用，所以在兩種模式下對冷凝器和蒸發器分別標定。標定后換熱器單體模型的換熱量和壓降，以及與試驗值對比如表1所示，平均誤差均在5%以內，滿足工程需求。

表1 換熱器單體標定結果

1.2 管路模型標定

為保證系統模型精度，必須考慮制冷劑通過管路與外界空氣的換熱。在制冷和制熱模式下，分別選取3組試驗工況，對模型中的管路進行換熱標定。圖1是壓縮機出口到冷凝器入口管路模型標定結果，誤差均在1℃以內。可看出較長的管路會導致冷媒沿管路出現一定溫降，尤其冷媒溫度和環境溫度差值較大時，反映出管路換熱對冷媒溫度影響較大，仿真時需要考慮管路換熱。

圖1 壓縮機出口到冷凝器入口管路模型標定

1.3 系統模型搭建及驗證

分別建立R134a和R1234yf熱泵空調系統仿真模型，包括制冷系統和制熱系統模型，如圖2所示。冷媒可在模型中工質庫里進行直接切換。

系統模型搭建后需要對其進行標定，確保系統關鍵參數保持在較小誤差。對制冷和制熱模式分別選取2組相應工況系統試驗數據進行標定，對系統模型調試后，兩種模式下的試驗結果和仿真結果對比如表2和表3所示，模型的平均誤差在5%以內。

表2 制冷模式仿真參數與試驗參數對比

表3 制熱模式仿真參數與試驗參數對比

2 仿真結果與分析

系統模型標定完成后，基于R1234yf和R134a熱泵空調系統模型，分析壓縮機轉速、環境溫度、過冷度等參數對系統性能的影響。

2.1 環境溫度

圖3是制冷模式下R1234yf和R134a熱泵空調系統的制冷劑質量流量和制冷量隨環境溫度的變化趨勢。隨環境溫度降低，制冷劑密度下降，質量流量下降，但下降的幅度逐漸減小。環境溫度平均每下降5℃，R134a的質量流量降低2.18%，R1234yf降低2.41%。同時，制冷量隨環境溫度的降低逐漸提高。其原因是制冷劑飽和溫度越低，工質粘度越小，減少了換熱的熱阻。另一方面制冷劑的氣液兩相飽和狀態焓差增大，即相變潛熱增大，相同的質量流量下能提供更多的換熱量。從仿真結果可看出，制冷工況下R1234yf系統質量流量平均比R134a系統高23%，制冷性能平均低3.5%。

圖3 環境溫度對制冷量和流量的影響

圖4是制熱模式下的制冷劑質量流量和制冷量隨環境溫度的變化趨勢。隨著環境溫度降低，冷媒密度降低，導致質量流量降低。與制冷模式對比，降低相同的環境溫度，制熱模式的冷媒質量流量衰減更嚴重，所以隨著冷媒量的衰減，制熱量也隨之衰減。在0℃時，R1234yf系統制熱量低于R134a，而在低于0℃的工況，R1234yf系統制熱量均高于R134a。隨著環境溫度降低，R1234yf系統與R134a系統的制熱量差值由-5℃的4.2%，增加到-20℃的9.6%，而質量流量從29.3%增加到33.6%。這表明在制熱模式的低溫工況下，R1234yf系統比R134a系統更具有優勢，能夠適應更低環溫下的采暖工況。

圖4 環境溫度對制熱量和流量的影響

2.2 壓縮機轉速

壓縮機轉速是影響熱泵空調系統性能的重要參數。圖5是環溫為35℃時R1234yf和R134a熱泵空調系統的流量與制冷量隨壓縮機轉速的變化趨勢。流量與制冷量隨壓縮機轉速呈正比。各轉速下R1234yf系統的制冷量平均比R134a系統小3.6%。壓縮機轉速的增加對制冷量的增益越來越小，并且R1234yf系統的質量流量比R134a系統明顯增多，導致壓降增大，壓縮機功耗增加。

圖5 壓縮機轉速對制冷量和流量的影響

圖6是環溫為-10℃時R1234yf和R134a熱泵空調系統的流量與制熱量隨壓縮機轉速的變化。質量流量與制熱量隨壓縮機轉速呈正比，這與制冷模式下的變化趨勢相同。R1234yf系統的質量流量同樣高于R134a系統，壓縮機功耗的增加導致R1234yf系統的COP會低于R134a系統。

圖6 壓縮機轉速對制熱量和流量的影響

2.3 過冷度影響分析

過冷度是冷媒壓力對應的飽和溫度與實際溫度的差值。冷凝器出口保持一定的過冷度，可以避免冷媒在管路流動時因壓降而出現閃發，以及導致的蒸發器換熱量損失。同時保證進入膨脹閥的冷媒都是液態，使膨脹閥能夠穩定工作。圖7和圖8為制熱工況下制熱量和質量流量隨過冷度的變化趨勢。可看出過冷度對制熱量增加是有益的，隨著過冷度增加，質量流量變化很小，內部冷凝器出口焓值減小，進而進出口焓差增大，使冷凝器制熱量增加。

圖7 過冷度對內部冷凝器制熱量的影響

圖8 過冷度對內部冷凝器質量流量的影響

圖9為內部冷凝器和外部蒸發器的進出口焓差隨過冷度的變化趨勢。可看出，隨著過冷度增加，冷凝器和蒸發器的焓差均增大，對冷凝器焓差影響稍大一些。結合圖7~圖9可看出，R1234yf系統的制熱量高于R134a系統，主要原因是R1234yf氣相密度較高導致的高質量流量對系統制熱量的影響大于冷凝器焓差較小的缺點。過冷度每增加5℃，R1234yf系統的制熱量平均增加 2.45%，R134a系統平均增加2.15%，可見對R1234yf系統增大過冷度對提高系統性能更佳，這也使得 R1234yf系統在使用同軸管進行換熱優化后也具有一定的優勢。

圖9 過冷度對換熱器焓差的影響

3 結論

本文利用AMESim仿真平臺搭建了電動車實車管路熱泵空調系統模型，并考慮了管路換熱的影響，最終模型的單體零部件與系統平均誤差均在5%以內。利用系統模型對比研究了影響R1234yf和R134a實車管路熱泵空調系統性能的各方面因素。結果表明。

1） 制冷模式下，R134a系統性能略優于R1234yf系統；在制熱模式低溫工況下，R1234yf系統比R134a系統更具有優勢，更適用于低溫下采暖工況。

2） 隨著壓縮機轉速增高，系統的制冷量、制熱量和質量流量均增大，R1234yf系統的質量流量均大于同轉速下的R134a系統。

3） 過冷度增大可提高系統的制熱量，對R1234yf系統制熱量增大的作用更為顯著。